Dinâmica do fósforo de sedimentos de uma pequena bacia hidrográfica de cabeceira

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE CIÊNCIAS RURAIS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DO SOLO. DISSERTAÇÃO DE MESTRADO. DINÂMICA DO FÓSFORO DE SEDIMENTOS DE UMA PEQUENA BACIA HIDROGRÁFICA DE CABECEIRA. Ricardo Bergamo Schenato. Santa Maria, RS, Brasil 2009.

(2) ii. DINÂMICA DO FÓSFORO DE SEDIMENTOS DE UMA PEQUENA BACIA HIDROGRÁFICA DE CABECEIRA. por. Ricardo Bergamo Schenato. Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo, Área de Concentração em Processos Químicos, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência do Solo.. Orientador: Prof. Danilo Rheinheimer dos Santos. Santa Maria, RS, Brasil 2009.

(3) iii. Schenato, Ricardo Bergamo, 1984S324d. Dinâmica do fósforo de sedimentos de uma pequena bacia hidrográfica de cabeceira / por Ricardo Bergamo Schenato ; orientador Danilo Rheinheimer dos Santos, co-rientador Maria Alice Santanna dos Santos. - Santa Maria, 2009. 105 f. ; il. Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Santa Maria, Centro de Ciências Rurais, Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo, RS, 2009. 3. 1. Ciência do solo 2. Eutrofização Sedimentação 4. Dinâmica de fósforo 5. Fracionamento de fósforo 6. Redox I. Santos, Danilo Rheinheimer dos, orient. II. Santos, Maria Alice Santanna dos, co-orient. III. Título CDU: 631.417 Ficha catalográfica elaborada por Luiz Marchiotti Fernandes – CRB 10/1160 Biblioteca Setorial do Centro de Ciências Rurais/UFSM. © 2009 Todos os direitos autorais reservados a Ricardo Bergamo Schenato. A reprodução de partes ou do todo deste trabalho só poderá ser feita com autorização por escrito do autor. Endereço: Rua Santa Cecília, n. 1864, Bairro Rio Branco, Porto Alegre, RS, 93470-030 Fone (0xx) 55 99723572; End. Eletr: ribschenato@gmail.com.

(4) iv. Universidade Federal de Santa Maria Centro de Ciências Rurais Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova a Dissertação de Mestrado DINÂMICA DO FÓSFORO DE SEDIMENTOS DE UMA PEQUENA BACIA HIDROGRÁFICA DE CABECEIRA Elaborada por Ricardo Bergamo Schenato Como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência do Solo. COMISSÃO EXAMINADORA:. Danilo Rheinheimer dos Santos, Dr. (Presidente/Orientador). Maria Alice Santanna dos Santos, Drª (UFSM) (Co-orientadora). Luciano Colpo Gatiboni, Dr. (UDESC). Santa Maria, 26 de fevereiro de 2009..

(5) v. DEDICATÓRIA. Ao vô Militão, à vó Deja, ao pai Vilson, à mãe Jaci, ao tio Jairo, à tia Ieda, aos irmãos Ise e Beto e aos primos Mayara e Didi. Minha família de Barracão; À Ana, à Noeci e ao seu Nei, minha família de Santa Maria;. dedico meu trabalho..

(6) vi. AGRADECIMENTOS À Espiritualidade Maior pela força constante, sem a qual essa jornada não seria possível, e por mais essa oportunidade de evolução. À Ana Paula Moreira Rovedder, pelo amor e lealdade, pelas lições de vida, e pelo auxílio nas análises dos resultados e pelas infindáveis discussões que colaboraram para o resultado final deste trabalho. Aos meus avós, Militão e Dejamira, Aos meus pais, Vilson e Jaci, Aos meus tios, Jairo e Ieda, Aos meus irmãos, Denise e Roberto, Aos meus primos, Mayara e Daniel, Pelo amor, pelos exemplos de honra, dignidade, cidadania e de amor à terra. Ao professor Danilo Rheinheimer dos Santos, orientador, pela acolhida, pela oportunidade de crescimento e pelas lições constantes nas conversas e nos exemplos dentro e fora da sala de aula. Ao professor José Miguel Reichert e sua equipe de pesquisa pelo engajamento nos trabalhos de monitoramento ambiental e na busca de alternativas sustentáveis aos agricultores familiares da microbacia em estudo. À professora Maria Alice Santanna dos Santos e ao professor Leandro Souza da Silva, coorientadores pelos ensinamentos e convivência. Ao professor João Kaminski por compartilhar sua sabedoria nas excelentes conversas. A todos os professores do Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo pela contribuição na minha formação..

(7) vii. Aos colegas de Pós-Graduação em Ciência do Solo pela amizade e convívio. Em especial ao Alcione Miotto, ao Fábio Kochem Mallmann e ao Paulo Ivonir Gubiani pela parceria nos estudos. Ao Jaderson dos Anjos Toledo e ao Tales Tiecher, pelo companheirismo e pela seriedade dispensada nos trabalhos de campo e de laboratório. Aos bolsistas de iniciação científica e voluntários do Setor de Fertilidade e Qímica do Solo que colaboraram para que este trabalho pudesse ser realizado. Ao funcionário Alex Giuliani pela amizade, apoio e auxílio nos trabalhos de campo. Ao João Batista Rossetto Pellegrini, pelo auxílio nos trabalhos de campo e pelas valiosas dicas que possibilitaram o melhor andamento do trabalho. Ao Alexandre Troian, pelo auxílio nos trabalho e pela amizade. À Universidade Federal de Santa Maria e ao Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo pela oportunidade de crescimento profissional e pessoal. Ao MCT/CNPq/CT-HIDRO, através do Edital nº 040/2006, pela concessão de Bolsa de Mestrado. Ao CNPq através do Edital Universal pelo financiamento dos estudos. Aos trabalhadores, que com sua labuta diária constroem a grandeza do Brasil..

(8) viii. RESUMO Dissertação de Mestrado Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo Universidade Federal de Santa Maria DINÂMICA DO FÓSFORO DE SEDIMENTOS DE UMA PEQUENA BACIA HIDROGRÁFICA DE CABECEIRA AUTOR: RICARDO BERGAMO SCHENATO ORIENTADOR: DANILO RHEINHEIMER DOS SANTOS LOCAL E DATA DA DEFESA: SANTA MARIA, 26 DE FEVEREIRO DE 2009 A pressão sobre os recursos naturais vem mostrando-se mais intensa nas últimas décadas, gerando degradação do ar, do solo e da água em todo o mundo. Dentre as substâncias relacionadas aos impactos ambientais aquelas contendo fosfatos são de grande importância, sendo originário de descargas industriais, domésticas, e agrícola. Esta última contribui principalmente através da aplicação excessiva de fertilizantes fosfatados e resíduos enriquecidos. O uso do solo fora da sua capacidade gera grande quantidade de sedimentos que vão para rios, lagos e mares. Quando esse sedimento carrega consigo alto teor de fósforo, pode desencadear o processo de eutrofização, que se caracteriza pelo aumento de nutrientes no sistema aquático, levando a diminuição na quantidade de oxigênio na água, o que causa a morte de várias espécies. Dessa forma, o presente trabalho foi dividido em dois estudos que objetivaram determinar a relação da dinâmica do fósforo dos sedimentos no processo de contaminação hidrográfica em função do manejo do solo e da cobertura vegetal da pequena bacia hidrográfica rural no município de Agudo – RS. Foram coletadas amostras em três épocas com diferentes usos predominantes do solo. A concentração de sedimento foi obtida por secagem a 105ºC. A dessorção de fósforo foi realizada através da extração com resina trocadora de ânions em recipientes especiais que permitiram controlar as condições redox. Também, foi realizado o fracionamento químico do fósforo do sedimento oriundo de diferentes locais da pequena bacia. A concentração de sedimento em suspensão nos cursos de água está relacionada com as características da chuva e com o uso do solo, e a submissão dos sedimentos em ambiente pobre em oxigênio favoreceu a dessorção do fósforo. Os teores de fósforo particulado biodisponível e de fósforo particulado potencialmente biodisponível dessorvidos de sedimentos são incrementados pela ação antrópica. O fracionamento químico do fósforo é um bom indicador da ação humana sobre os mananciais aquáticos, sendo possível discriminar a origem dos sedimentos das sub-bacias com diferentes graus de antropização. Palavras-chave: eutrofização; dinâmica de fósforo; sedimento; redox; fracionamento de fósforo..

(9) ix. ABSTRACT Master Dissertation Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo Universidade Federal de Santa Maria PHOSPHORUS DINAMICS OF SEDIMENTS FROM A SMALL WATERSHED AUTHOR: RICARDO BERGAMO SCHENATO ADVISOR: DANILO RHEINHEIMER DOS SANTOS PLACE AND DATE OF DEFENSE: SANTA MARIA, 26 DE FEVEREIRO DE 2009 The pressure on the natural resources has being shown more intense in the last decades, increasing degradation of air, soil and water around the world. Among the substances related to the environmental impacts that containing phosphate is one of great importance, being original from industrial discharges, domestic uses, and agricultural. The last one contributes mainly through the excessive application of phosphate fertilizers. The soil use out of its capacity generates great amount of sediments that goes to rivers, lakes and seas. When that sediment carries with it great content of phosphorus, it can unchain the eutrophication process, that is characterized by the increase of nutrients in the aquatic system, leading to the decrease in the amount of dissolved oxygen in the water, what causes the death of several species. The present work was divided in two studies that aimed to determine the relationship of phosphorus from sediments dynamics in the process of water contamination in function of soil management and vegetable cover in a small watershed at city of Agudo – Rio Grande do Sul State, Brazil. Were collected samples in three periods with different predominant soil uses. The sediment concentration was obtained by drying at 105ºC. The phosphorus dessorption was made by extraction with anion exchange resin on special recipients that allow control the redox conditions. Also, was realized the chemical fractionation of phosphorus from different sites of watershed. The concentration of suspended sediments on water curses is related with characteristics of rain and soil use, and the submission of the sediments to oxygen poor atmosphere favored the phosphorus dessorption. The bioavailable phosphorus and potential bioavailable phosphorus desorbed from sediments were incremented by antropic action. The phosphorus chemical fractionation is a good index of human action on aquatic source, being possible to determine the sediments origin from sub-basins under different antropization degrees. Key words: eutrophication; phosphorus dynamics; sediment; redox; phosphorus fractionation..

(10) x. LISTA DE FIGURAS FIGURA 5.1 – Localização dos pontos de coleta de amostra no exudório principal e nos braços esquerdo e direito da PBHR do Arroio Lino, Agudo – RS....................................... 37 FIGURA 5.2 – Vista lateral e superior do reator redox com indicação das suas partes principais............................................................................................................................... 42. FIGURA 5.3 – Diagrama Eh-pH para o sistema Fe-O-H e localização das faixas de trabalho. 1 = faixa de ambiente oxidado; 2 = faixa de ambiente reduzido. Atividade de Fe dissolvido = 10-6............................................................................................................... 44. FIGURA 5.4 – Diagrama de ordenação produzido por Análise de Componentes Principais para relação entre épocas de cultivo e concentração de sedimentos e fósforo total....................................................................................................................................... 48 FIGURA 5.5 – Diagrama de ordenação produzido por Análise de Componentes Principais para relação entre o fósforo particulado biodisponível e fósforo particulado potencialmente biodisponível com as épocas de amostragens dos sedimentos.................... 54. FIGURA 5.6 – Diagrama de ordenação produzido por Análise de Componentes Principais para relação entre fósforo particulado biodisponível (Ppb) e fósforo particulado potencialmente biodisponível (Pppb) e as sub-bacias....................................... 59 FIGURA 5.7 – Diagrama de ordenação produzido por Análise de Componentes Principais para relação entre fósforo particulado biodisponível (Ppb) e fósforo particulado potencialmente biodisponível (Pppb) e as sub-bacias....................................... 63 FIGURA 6.1 – Caracterização hidrossedimentológica do evento pluviométrico ocorrido durante o período de pós-colheita......................................................................................... 76. FIGURA 6.2 – Caracterização hidrossedimentológica do evento pluviométrico ocorrido durante o período de transplante - aterramento..................................................................... 79. FIGURA 6.3 – Caracterização hidrossedimentológica do evento pluviométrico ocorrido durante o período de pousio hibernal.................................................................................... 79.

(11) xi. LISTA DE TABELAS TABELA 5.1 – Variáveis pluviométricas, concentração de sedimento na água e de fósforo total no sedimento do exudório principal do Arroio Lino em três eventos pluviométricos durante três fases de vazão do arroio......................................................... 46. TABELA 5.2 – Dessorção de fósforo de sedimentos em ambiente oxidado, coletados na calha do exudório principal do Arroio Lino em três eventos pluviométricos durante três fases de vazão do arroio.............................................................................................. 49. TABELA 5.3 – Correlação simples de Pearson entre as formas de fósforo (Ppb = particulado biodisponível; Pppb = particulado potencialmente biodisponível; Pt = total), a concentração de sedimento (CS), a granulometria (silte+argila), o teor de ferro (Fed) e a taxa de dessorção constante (λ) dos sedimentos.................................................. 50. TABELA 5.4 – Concentração de sedimento na água e de fósforo total nos sedimentos coletados nas sub-bacias do Arroio Lino em dois eventos pluviométricos....................... 55. TABELA 5.5 – Dessorção de fósforo de sedimentos em ambiente oxidado, coletados nas sub-bacias do Arroio Lino em três eventos pluviométricos........................................ 61. TABELA 5.6 – Dessorção de fósforo de sedimentos coletados na calha em função da condição de oxi-redução do meio...................................................................................... 64. TABELA 5.7 – Dessorção de fósforo de sedimentos coletados nas sub-bacias em função da condição de oxi-redução do meio...................................................................... 68. TABELA 6.1 – Concentração de ferro, manganês e alumínio extraídos por ditionito e oxalato do sedimento coletado nas fases da enxurrada. Fed – ferro ditionito-citratobicarbonato; Feo – ferro oxalato; Mnd – manganês ditionito-citrato-bicarbonato; Mno – manganês oxalato; Ald – alumínio ditionito-citrato-bicarbonato; Alo – alumínio oxalato. 80. TABELA 6.2 – Concentração de ferro, manganês e alumínio extraídos por ditionito e oxalato do sedimento coletado nas fases da enxurrada e nas sub-bacias com diferentes usos na pequena bacia hidrográfica rural do Arroio Lino, Agudo, RS.............................. 81. TABELA 6.3 – Frações de fósforo ligadas ao sedimento coletado nas fases ascendente, de vazão máxima e descendente da lâmina de água na calha do arroio principal.............................................................................................................................. 83. TABELA 6.4 – Frações de fósforo ligadas ao sedimento coletado nas sub-bacias com diferentes usos na pequena bacia hidrográfica rural do Arroio Lino, Agudo, RS............. 85. TABELA 6.5 – Fósforo orgânico e inorgânico presente em sedimentos coletados na pequena bacia hidrográfica rural do Arroio Lino, Agudo, RS........................................... 87.

(12) xii. LISTA DE ANEXOS ANEXO A - Transferência de água e de sedimento durante as coletas realizadas em eventos pluviométricos ocorridos em três épocas distintas na pequena bacia hidrográfica rural do Arroio Lino de Nova Boêmia, Agudo – RS...................................... 97. ANEXO B – Curvas de redução em função do tempo e faixas de trabalho em ambiente oxidado (A) e em ambiente reduzido (B)........................................................................... 100. ANEXO C – Textura do sedimento erodido em três épocas distintas e coletados na calha e nas sub-bacias a pequena bacia hidrográfica rural do Arroio Lino de Nova Boêmia, Agudo – RS. ........................................................................................................ 101 ANEXO D – Amostrador automático de nível ascendente instalado nas sub-bacias do pequena bacia hidrográfica rural do Arroio Lino de Nova Boêmia, Agudo – RS.............. 103. ANEXO E – Reatores construídos para controlar as condições de redução do sedimento............................................................................................................................ 104.

(13) xiii. SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO GERAL............................................................................................... 14. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..................................................................................... 2.1 Transferência de sedimento do solo aos sistemas aquáticos.................................. 2.2 Potencial redox.......................................................................................................... 2.3 O fósforo e a contaminação ambiental...................................................................... 16 16 18 20. 3 HIPÓTESES E OBJETIVOS...................................................................................... 3.1 Hipóteses..................................................................................................................... 3.2 Objetivo Geral............................................................................................................ 3.3 Objetivos Específicos.................................................................................................. 26 26 27 27. 4 ESTRATÉGIA DE ESTUDO....................................................................................... 28. 5 ESTUDO I - DESSORÇÃO DE FÓSFORO DE SEDIMENTOS ERODIDOS DE UMA PEQUENA BACIA HIDROGRÁFICA DE CABECEIRA EM AMBIENTES OXIDADO E REDUZIDO................................................................. 5.1 Introdução................................................................................................................... 5.2 Material e Métodos.................................................................................................... 5.2.1 Local de estudo......................................................................................................... 5.2.2 Pontos de amostragem.............................................................................................. 5.2.3 Épocas de amostragem.............................................................................................. 5.2.4 Estratégia de amostragem......................................................................................... 5.2.5 Análises laboratoriais................................................................................................ 5.3 Resultados e discussão............................................................................................... 5.3.1 Concentração de sedimento e de fósforo total nos sedimentos coletados na calha.. 5.3.2 Dessorção de fósforo de sedimentos coletados na calha em ambiente oxidado....... 5.3.3 Concentração de sedimento e de fósforo total nos sedimentos coletados nas subbacias.................................................................................................................................. 5.3.4 Dessorção de fósforo de sedimentos coletados nas sub-bacias em ambiente oxidado............................................................................................................................... 5.3.5 Dessorção de fósforo em ambiente reduzido............................................................ 5.4 Conclusões.................................................................................................................... 30 30 32 32 33 37 38 39 45 45 49 55 59 65 72. 6 ESTUDO II - TRANSFERÊNCIA DE SEDIMENTO E DE FÓSFORO ORIUNDOS DE UMA PEQUENA BACIA HIDROGRÁFICA DE CABECEIRA............................................................................................................... 6.1 Introdução.................................................................................................................. 6.2 Material e métodos..................................................................................................... 6.3 Resultados e discussão............................................................................................... 6.4 Conclusões.................................................................................................................... 73 73 74 75 88. 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................... 89. 8 ANEXOS......................................................................................................................... 98.

(14) 1 INTRODUÇÃO GERAL. A degradação ambiental vem crescendo nas últimas décadas em decorrência do aumento da população mundial. Esse aumento demográfico aliado ao consumo insustentável de diversos países, especialmente os ditos desenvolvidos, faz com a pressão sobre os recursos naturais seja cada vez mais intensa, o que leva à exaustão de recursos naturais. Soma-se a esse quadro um modo de vida onde importa apenas aquilo que tem valor venal, e criam-se quadros de degradação da atmosfera, do solo e da água nos mais distante locais do globo terrestre. A água por muito tempo foi encarada como infinita, sendo utilizada com os mais diversos propósitos sem cuidado com a sua preservação. No entanto, atualmente sabe-se que apesar do nosso planeta ser formado em grande parte por essa substância, o montante que pode ser utilizado direta ou indiretamente pelas pessoas é consideravelmente pequeno. Portanto, assim como cresce a degradação dos recursos naturais, principalmente da água, também aumenta a preocupação com sua preservação, em decorrência justamente da possibilidade de falta desse recurso essencial à vida. Dentre os problemas que mais ameaçam a qualidade da água está o aporte de substâncias que a tornam imprópria para o consumo humano e animal. O rol de substâncias que leva à degradação dos recursos hídricos é bastante vasto, assim como suas características poluidoras e o modo com que podem ser eliminadas, mas invariavelmente é mais trabalhoso e oneroso a recuperação da qualidade do que a prevenção da degradação dos mananciais. A origem da poluição também é variada, mas pode ser classificadas em fontes urbanas ou agrícolas. Em geral as fontes urbanas compreendem lançamento de efluentes industriais e domiciliares e são consideradas fontes pontuais de poluição pelo fato de seu despejo ocorrer concentrado em determinado ponto de rio, lago ou mar e seus efeitos serem sentidos principalmente próximos ao local de descarte. Já as áreas agrícolas são consideradas fontes difusas de poluição por sua contribuição ocorrer de forma disseminada ao longo do sistema de drenagem e, em geral, os efeitos serem notados em locais distantes das fontes. Dentre as substâncias que podem causar impactos ambientais, o fosfato é um dos mais importantes. Sua origem pode estar relacionada com descargas industriais e domésticas, pois é um componente de muitos produtos utilizados nesses locais, como detergentes, e está presente em esgotos não tratados. Mas é na origem agrícola que o problema pode tornar-se mais sério, pois existem fontes pontuais como confinamentos, que podem produzir via dejeto de animais.

(15) 15. quantidades consideráveis de fósforo, e fontes difusas, que tem como causa principal a aplicação excessiva de fertilizantes fosfatados e a aplicação incorreta desse insumo nas lavouras, levando a um acúmulo desse nutriente na camada superficial do solo, justamente a que é mais suscetível ao transporte via erosão. A interface entre ecossistemas normalmente é o local onde ocorrem trocas de energia e massa. Quando se trata dos limites entre solo e água não é diferente, pois a água de drenagem fornece energia que desagrega partículas de solo que por sua vez tendem a seguir o caminho natural até o sistema de drenagem. Dessa forma as partículas oriundas de solos agrícolas passam a integrar o ecossistema aquático e podem carregar consigo várias moléculas, entre elas aquelas contendo fosfato. O uso do solo fora da sua capacidade e a aplicação de doses excessivas de fertilizantes fosfatados têm contribuído para a “fertilização das águas”, cujo efeito principal é o processo de eutrofização. A diminuição nos teores de oxigênio da coluna de água, além de provocar a morte de várias espécies, altera o equilíbrio químico de várias reações, entre elas a existente entre as moléculas de fosfato e os sedimentos. O oxigênio é utilizado pelos microorganismos como o principal aceptor final de elétrons provenientes da cadeia respiratória, portanto a exaustão desse gás pode chegar a tal ponto que as populações de decompositores passam a utilizar outros aceptores, como por exemplo, os óxidos de manganês e ferro, componentes comuns de sedimentos. O fosfato liga-se com esses compostos metálicos através de ligações químicas de alta energia, que são altamente estáveis em sistemas oxidados como o solo, mas podem ser desfeitas em ambientes reduzidos, provocando a dessorção de fosfato. Além do caráter complexo do fenômeno da eutrofização, a sua resolução ainda enfrenta o problema do distanciamento espaço-temporal entre a fonte causadora e o local onde se manifestam as conseqüências, o que resulta na falta de ações no ambiente onde se desencadeia o processo. Como exemplo pode-se citar o advento do plantio direto no sul do Brasil, onde os agricultores adotaram esse sistema por notarem os resultados in situ, mas dificilmente racionalizarão a aplicação de fertilizantes devido a problemas que se desencadeiam a quilômetros de distância sem a pressão social e imposição legal. Portanto, o entendimento do processo da eutrofização é necessário por parte dos técnicos que assistem os produtores e deve passar por uma análise holística dos diversos agentes envolvidos. E sua resolução necessita da interação desses agentes através de políticas públicas de longo prazo que preconizem um planejamento integrado em nível de bacias hidrográficas, para que enfim possa-se gozar de uma agricultura produtiva e ambientalmente sustentável..

(16) 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. 2.1 Transferência de sedimento do solo aos sistemas aquáticos O transporte de sedimentos é um processo natural, atuando na formação do solo e alteração da paisagem. Essa movimentação é realizada pela ação da água da chuva e ventos. Quando o primeiro fator atua, há um transporte de posições mais altas para regiões mais baixas do terreno pelo carreamento predominantemente de partículas de solo previamente desagregadas pelo impacto das gotas. Em áreas de encostas, a cobertura por mata nativa garante o balanço entre a formação do solo e a transferência de sedimento. O principal papel desempenhado pela vegetação nativa é diminuir a energia cinética do fluxo de água, dissipando-a no momento do impacto da gota de chuva contra o dossel vegetal e a sua movimentação até posições inferiores do terreno se dê com menor energia cinética. Além disso, em áreas de florestas a serrapilheira e os maiores teores de carbono do solo da camada superficial contribuem para menor erodibilidade do solo, pela diminuição da energia da enxurrada e da melhor qualidade estrutural do solo (MARTINS, 2003). Nessa situação o transporte de sedimentos, apesar de contínuo, é lento e está em equilíbrio com o ecossistema local. No entanto, quando é retirada a vegetação nativa o processo erosivo torna-se intenso e a transferência de material passa a ser ambientalmente nociva. A erosão é considerada a forma mais prejudicial de degradação do solo, pois diminui a capacidade produtiva do solo, a sustentabilidade dos agroecossistemas e pode causar sérios problemas ambientais (MACHADO et al., 2003; MELLO et al., 2003; SILVA et al., 2005). Brooks et al. (1991) consideram o sedimento como o principal poluente de águas devido a sua presença e concentração na água, além de seu papel como carreador de moléculas, bem como outros impactos como assoreamento de canais. O processo de produção de sedimento e seu transporte até a rede de drenagem são complexos. Há muitos fatores que influenciam essa dinâmica, entre os quais se destacam o clima, o relevo, o tipo e o uso predominante do solo e a escala considerada (GRUNWALD et al., 1999; GBUREK et al., 2000; BEUSELINK, 2000). Machado et al. (2003), em estudo realizado em uma pequena bacia hidrográfica dominada pela produção de cana de açúcar e pastagem, destacam que a maior produção de sedimento foi encontrada nas sub-bacias de.

(17) 17. cabeceiras, sendo que em algumas houve predominância da deposição de sedimento em detrimento de seu transporte. Também, Minella et al. (2007), estudando a produção de sedimento em duas pequenas bacias hidrográficas de cabeceiras, ressaltam a importância da alocação das estradas que contribuíram com um terço da produção de sedimento, apesar da pequena área ocupada em relação à superfície total, bem como atuam como caminho preferencial do sedimento oriundo das lavouras até o sistema aquático. Esses resultados corroboram aqueles encontrados por Pellegrini (2006), que ainda cita como importante para a produção de sedimento a distribuição das áreas de lavoura dentro das propriedades agrícolas. Cogo et al. (2003) afirmam que a inclinação do declive do terreno e o comprimento de rampa influenciam fortemente as perdas de solo, de tal forma que à medida que a inclinação aumenta a enxurrada tem sua capacidade de cisalhamento e transporte de partículas incrementada, em especial, quando os sulcos direcionam-se no sentido do declive. Além da inclinação do terreno maiores perdas de sedimento são mais comuns durante chuvas de maior erosividade (MARTINS et al., 2003; BEUTLER et al., 2003). Nesse sentido, Cantalice (2005) constatou que as taxas de transporte de sedimentos em sulcos em solo agrícola foram influenciadas sobremaneira pela adição de fluxos extras de água. A transferência de sedimento do solo para ambiente aquático, apesar de ser influenciada por vários de fatores, tem na apropriação da natureza pelo homem e no seu domínio de técnicas que permitiram cultivar os diversos tipos de solo, a intensificação do processo erosivo. Com ações como revolvimento do solo, cultivo sem respeitar a declividade do terreno e falta de manutenção de plantas na superfície a erosão passou a ser notada como expressiva e desencadeadora da degradação do solo, acarretando na perda de sua capacidade produtiva. Esta realidade pode ser notada em cultivos dos solos no rebordo do Planalto Médio Gaúcho, onde culturas como o fumo, são conduzidas sob sistema de preparo convencional. Esse sistema de cultivo leva a grandes transferências de solo, água e nutrientes aos mananciais aquáticos, resultando na insustentabilidade desse sistema de manejo (PELLEGRINI, 2005; PELLEGRINI, 2006; SEQUINATTO, 2006). Além disso, estudos apontam o caráter seletivo da erosão, que carreia partículas de tamanho coloidal, onde grande parte dos nutrientes, como o fósforo, está ligado às partículas sólidas (RESCK et.al, 1980; TÁVORA et al., 1985; BERTOL et al., 2004; SEGANFREDO et al., 1997; SMITH et al., 1992; SHICK et al., 2000; QUINTON et al., 2001; BERTOL et al., 2006). Portanto, medidas de conservação e proteção do solo que evitem o carreamento de massa podem ser pouco eficientes contra o processo de eutrofização, pois não haverá necessariamente a diminuição na transferência de fósforo.

(18) 18. solúvel ou formas particuladas biodisponíveis (SETA et al., 1993; YLI-HALLA et al., 1995; HEATHWAITE et al., 2000). 2.2. Potencial redox Elétrons são essenciais às reações inorgânicas, orgânicas e bioquímicas. O potencial redox ou disponibilidade do elétron afeta o estado de oxidação de vários elementos em sistemas aquáticos, como hidrogênio, carbono, nitrogênio, oxigênio, enxofre, manganês e ferro (BOHN, 1971). O limite das condições oxidantes em sistemas aquáticos é a oxidação da molécula de água a oxigênio molecular, enquanto o limite oposto é a redução da molécula de água a hidrogênio molecular. Reações de oxidação – redução, ou redox, são aquelas onde um elétron é transferido completamente de uma espécie para outra. A espécie química que perde elétron nesse processo é chamada de oxidada, enquanto que aquela que ganha elétron passa a ser chamada de reduzida. Os elétrons, em ambiente natural, estão inseridos em orbitais atômicos ou moleculares ou são transferidos entre diferentes espécies, portanto não ocorrem livres na natureza ou em soluções aquosas (STUMM et al., 1996). Para descrever as reações redox, lança-se mão do conceito de “elétron aquoso” ou “elétron livre”, onde esse participa como um dos reagentes do processo, similarmente ao papel desempenhado pelo próton livre em solução para descrever as equações ácido-base. Dessa maneira, assim como a acidez do solo é representada pelo logaritmo negativo da atividade do próton livre, dada pelo pH, a capacidade de oxidação tem sua representação através do logaritmo negativo da atividade do elétron livre (e), denominada pE, que é representado pela equação 1: pE = − log(e). (1). Analisando essa expressão, nota-se que se a atividade de elétrons for alta o valor de pE tende a ser mais negativo e a solução deverá ter caráter redutor, cujas as espécies da solução apresentarão uma forte tendência a doar elétrons para outras espécies químicas, as quais sofrerão redução. Do contrário, quanto menor a atividade de elétrons, maior será o valor de pE, a solução terá caráter oxidante e será grande a tendência das espécies da solução em retirar elétrons de outras espécies químicas, as quais sofrerão oxidação. As equações redox são usualmente expressas como um par de semi-reações, sendo uma de oxidação e outra de redução. Nessas semi-reações, o símbolo do “elétron livre” ou “elétron aquoso”, desempenha o papel de um elétron que se originou de uma espécie doadora.

(19) 19. de elétrons. No entanto, assim como não existem elétrons livres em solução, tampouco pode ocorrer somente uma semi-reação em solução, pois os elétrons perdidos por uma espécie química (que sofre oxidação) necessitam ser recebidos por outra espécie (que sofre redução), e a reação de oxi-redução completa sempre é composta por duas meias reações (STUMM et al., 1996; CAMPOS, 2006), uma de oxidação e outra de redução, como por exemplo a que se segue: FeOOH ( s) + 1 / 2CHO2− ( aq ) + 5 / 2 H + ( aq ) = Fe 2+ ( aq) + 1 / 2CO2 ( g ) + 2 H 2 O (l ) (2) Ressalta-se que embora essas equações sejam apresentadas como reações de equilíbrio químico, essa condição raramente é atingida em sistemas naturais, devido à contínua adição de espécies químicas doadoras de elétrons, como por exemplo, os compostos orgânicos oxidáveis (BOHN, 1971). Os elétrons são transferidos de um composto para outro através de reações químicas que implicam na interação entre os orbitais das espécies químicas envolvidas, resultando na formação de novas ligações químicas nos compostos resultantes da reação. Dessa forma, orbitais de íons ou moléculas que possuem uma afinidade maior por elétrons são preenchidos em um primeiro momento, seguidos pelos de menor afinidade. Através da termodinâmica, conhecendo-se o pE e o pH do meio e admitindo-se que todas as reações se encontrem em equilíbrio, é possível prever quais serão os compostos que receberão prioritariamente os elétrons, reduzindo-se. Essa seqüência é conhecida como torre eletrônica e descreve a ordem em que os compostos são reduzidos. Devido à alta afinidade por elétrons do orbital mais externo do oxigênio (O2), este composto é o primeiro a reduzir-se, seguido imediatamente pelo nitrato (NO3-) e nitrito (NO2-). Em seguida são reduzidos os oxihidróxidos, primeiro os de manganês (MnO2) e depois os de ferro (FeOOH e Fe(OH)3). Por fim, se o pE for extremamente baixo, reduzem-se SO4- e CO2. Essa ordem deve ser vista, também, do ponto de vista biológico porque sem a presença das enzimas que são produzidas por microorganismos e que atuam como catalisadores de reação, a velocidade das reações de oxi-redução nos ambientes naturais é muito lenta, sendo praticamente desprezível. Na presença dessas enzimas (catalisadores) a energia de ativação para que a reação ocorra é grandemente diminuída, possibilitando um grande aumento da velocidade de reação. Uma vez que as reações são mediadas por organismos, o decréscimo do pE e suas implicações na dinâmica do processo de redução dos compostos, também são fruto de uma sucessão ecológica. Há uma modificação na.

(20) 20. comunidade microbiana, seguindo a capacidade de cada população em transferir os elétrons resultantes da cadeia respiratória para o aceptor possível. Dessa forma, paralelamente ao ordenamento de redução de compostos, segue uma sucessão onde cada grupo microbiano é substituído pelo seguinte, começando pelos organismos heterótrofos aeróbicos microaerófilos, passando pelos desnitrificadores e fermentadores e chegando aos redutores de sulfato e bactérias metanogênicas. Dessa forma, Stumm et al. (1996) chamam a atenção de que conclusões sobre a dinâmica química em sistemas redox nem sempre seguem as expectativas que as leis da termodinâmica apontam, devido à necessidade da presença de microorganismos suficientes e abundantes. Um outro cuidado que se deve ter quando se utilizam tabelas termodinâmicas é o de lembrar que elas foram feitas supondo-se que as reações estão em equilíbrio, condição em que a velocidade da reação no sentido direto é igual à velocidade da reação inversa, de tal forma que as concentrações de reagentes e produtos não variam no tempo. No entanto, sabese que a condição de equilíbrio raramente é encontrada nas reações que ocorrem nos ambientes naturais, pois estes são sistemas abertos e heterogêneos. Assim, as tabelas termodinâmicas são bons pontos de partida para analisar as reações de oxi-redução nos ambientes naturais, mas devem ser interpretadas com cuidado, levando-se em conta suas limitações.. 2.3. O fósforo e a contaminação ambiental A preocupação com os problemas ambientais tem sido lugar comum em vários setores da sociedade mundial. Várias instâncias têm se engajado nesse tema, desde as artes, passando pelo campo político, até a ciência, cada qual vem mostrando preocupação com a diminuição na qualidade de vários componentes da biosfera, como o ar, o solo e a água, que pode levar a severas dificuldades para a manutenção da vida humana em algumas regiões do planeta. Dentre esses componentes, talvez o que gere mais preocupação seja a diminuição da quantidade da água potável, decorrente das atividades humanas no ambiente. A contaminação e poluição da água podem ocorrer através de fontes pontuais ou difusas, sendo que as primeiras são mais encontradas próximas a centros urbanos e constituem-se principalmente do despejo de esgoto doméstico e industrial não tratado, além de serem identificadas no meio rural pelo descarte de dejetos de animais (BERWANGER, 2006), especialmente em áreas com confinamento. Como fonte difusa cita-se basicamente a.

(21) 21. agricultura, que contribui com nutrientes e agrotóxicos e é responsável por grande parte do impacto ambiental incutido sobre a água (SHARPLEY et al., 1994; SHARPLEY et al., 1996; SIMS et al., 1998; BORTOLUZZI et al., 2006; HAYGARTH, 1999; NIELSEN et al., 2007; WICKHAM et al., 2008). Estudos mostram que as principais áreas de eutrofização encontram-se próximas aos locais onde deságuam rios que passam por cidades muito populosas, com grande concentração de indústrias ou por áreas com intensa atividade agrícola (SHANG et al., 2007), o que demonstra uma estreita relação entre o desenvolvimento sócio-econômico e a deterioração dos recursos hídricos (GAO, 2005). O rápido desenvolvimento da China nas últimas décadas, por exemplo, elevou esse país ao patamar de um dos mais poluidores, com repercussões sobre os seus próprios recursos naturais e em diversas outras partes do planeta, impondo impactos ambientais globalizados em um espaço de tempo nunca antes experimentados (LIU et al., 2005). Zhang (2008) afirmam que a intensificação da agricultura na China é um fator importante na dinâmica de nutrientes em bacias hidrográficas, pois essa atividade preconiza aplicação de fertilizantes fosfatados, o que aumenta sua exportação para o sistema aquático, provocando deterioração da qualidade da água e a eutrofização da maioria dos lagos estudados. Nesse mesmo sentido, Nielsen et al. (2007) e Wickham et al. (2008) mostram que bacias hidrográficas dominadas por agricultura, áreas urbanas ou florestas têm diferenças significativas quanto à produção de nutrientes, sendo que ela tende a ser maior naquelas áreas dominadas pelo uso antrópico em relação àquelas onde predomina vegetação natural, apontando a cobertura do solo como um dos principais fatores que determinam a contribuição de nutrientes de uma bacia hidrográfica. Entre os elementos transferidos para a água encontra-se o fósforo (HECKRATH, 1995), cujas dinâmicas de reação e de transporte são complexas tanto no solo como na água, e desempenha um papel importante na contaminação ambiental (SHARPLEY et al., 1995; GIBSON, 1997). A complexidade deve-se ao grande número de grupos funcionais a que o fosfato pode se ligar e a grande variação na força dessas ligações, o que reflete na sua labilidade. O fósforo inorgânico liga-se principalmente nas arestas das argilas silicatadas e nos óxihidróxidos de ferro e alumínio, sendo que nesses últimos, por exemplo, as ligações podem ser monodentadas, bidentadas ou binucleadas, cada uma com diferente energia de ligação. Além disso, essa reação apresenta um componente temporal, que tende ao aumento da estabilidade (RHEINHEIMER et al., 2008). Dessa forma, em vários ambientes terrestres o fósforo é o macronutriente que normalmente limita o crescimento e desenvolvimento das.

(22) 22. plantas devido a seus baixos teores naturais na maioria dos solos e a sua alta energia de ligação, principalmente com oxihidróxidos de ferro e de alumínio (RHEINHEIMER, 2003). A maior parte dos sistemas agrícolas atuais preconiza a aplicação de fertilizantes fosfatados como condição sine qua non para a obtenção de resultados satisfatórios na colheita. Essa prática, quando não usada adequadamente, pode elevar o teor de fósforo disponível no solo muitas vezes acima do teor crítico, principalmente na camada mais superficial, sem necessariamente refletir na produtividade das culturas (MARTINAZZO et al., 2006; SANTOS et al., 2008), mas pode provocar impactos ambientais pelo enriquecimento das águas (HU et al., 2007). Assim, sedimentos oriundos de solos onde se aplicam doses altas de fertilizantes fosfatados apresentam elevados teores biodisponíveis, porque esse elemento está ligado com menor energia aos grupos funcionais das partículas coloidais inorgânicas, o que facilita sua dessorção. O fosfato transportado dos sistemas terrestres para os ambientes aquáticos ocorre na forma solúvel ou particulada, sendo que a fração ligada a partículas pode estar disponível aos organismos ou não, dependendo da força de ligação. Quando o sedimento é depositado nos ambientes lênticos, em especial em lagos, ele é submetido a processos bioquímicos diferentes daqueles ocorrentes no solo, alterando a relação entre o fosfato adsorvido e o solúvel que é liberado para a coluna de água via água intersticial (SONDERGAARD 2003). Há vários fatores que influenciam a liberação de nutrientes ligados ao sedimento para o ambiente aquático (KATSEV, 2006; LAKE, 2007), como a fonte que originou esse sedimento, a carga externa do elemento, a temperatura, o pH, o Eh, a bioturbação e o revolvimento das partículas sedimentadas, a presença de óxidos de ferro e manganês e de outros compostos redutores (KLEEBERG, 1997; PERKINS, 2001; ANDERSEN, 1975; BOSTRÖM, 1982; BOERS, 1991; SØNDERGAARD et al., 2003; GAO, 2005). Shang et al. (2007) apontam que dentre os fatores que contribuem para a eutrofização do Lago Chaohu, China, as atenções devem ser voltadas para as fontes de poluição difusa, especialmente controlando a carga de poluentes dos rios que deságuam nesse lago. Gao (2005) destaca que o fator de contribuição principal é diferente entre os lagos e a carga externa é importante na qualidade da água, mas a contribuição interna deve ser levada em conta, sendo que a concentração de fósforo em sedimentos lacustres depende do estado trófico do lago, da composição do sedimento, da taxa de sedimentação, de condições físico-químicas e dos processos de diagênese. Dentre as condições que desencadeiam a diminuição da energia de ligação do fosfato com o sedimento, a quantidade de oxigênio dissolvido na água é um dos mais importantes e cujo reflexo é mais pronunciado, pois remete ao potencial de oxi-redução.

(23) 23. do meio (CHRISTOPHORIDIS et al., 2006; UUSITALO et al., 2003; WANG et al., 2008;). Além disso, dentre as variáveis ambientais responsáveis pelos processos de eutrofização, o teor de oxigênio é o que mais varia (DIAZ, 2001). Rabalais et al. (2001) relatam variação nos teores de oxigênio dissolvido em decorrência da profundidade, dos meses do ano, dos anos e do local amostrado, referenciando a ampla variabilidade espaço temporal em que podem ocorrer ambientes reduzidos. Portanto, de uma forma geral, quando o sedimento atinge o sistema de drenagem, há uma alteração no equilíbrio químico da ligação fosfato-partícula, forçando o elemento a dessorver-se da superfície onde se encontra e passar para a coluna de água, aumentando seus teores solúveis (CORRELL, 1998). Dessa forma, com o aporte de fósforo ligado a partículas coloidais tem-se um enriquecimento das águas e o conseqüente aumento de produtividade do primária (TYRREL, 1999), desencadeando o processo de eutrofização. Eutrofização é uma palavra que se origina do Grego eu que significa “bem” e trophos, que significa “nutrição”. A eutrofização caracteriza-se pela série de efeitos provocados pelo aumento excessivo de fitoplâncton devido ao aporte de nutrientes, que aumenta o estado trófico da água (YANG et al., 2008). O início do processo dá-se pelo fornecimento de um fator até então limitante para a proliferação das populações primárias, como por exemplo, o incremento nos teores de fósforo na coluna de água. Como há uma cadeia alimentar complexa estabelecida, o aumento dos organismos produtores provoca um desequilíbrio ambiental localizado, que varia conforme a reação das populações à alteração do meio (HULOT, 2000). Concomitante ao incremento populacional ocorre o aumento no consumo de oxigênio dissolvido na água pela respiração dos próprios organismos e pelos processos microbiológicos resultantes da decomposição dos indivíduos mortos. A diminuição nos teores de oxigênio leva à morte outros organismos, que são mais sensíveis a ambientes menos aerados. Seguindo esse processo, há o estabelecimento de um ciclo de morte e decomposição que culmina na diminuição da diversidade da comunidade aquática e em processo de poluição, ambos de difícil e onerosa reversão. Portanto, o processo de eutrofização compromete a qualidade da água de várias maneiras, como através do aumento de pH e turbidez, liberação de amônia e metano, produção de espumas e proliferação de algas, que podem liberar substâncias capazes de conferir odor desagradável ou tóxicas, impossibilitando seu consumo por animais superiores (SHARPLEY et al., 1987; DANIEL et al., 1998). Liu et al. (2005) contabilizaram que 75% dos lagos chineses encontravam-se poluídos e que entre os diversos problemas ambientais desse país a eutrofização destaca-se, devido ao impacto sobre a diminuição da qualidade da.

(24) 24. água para consumo humano e produção de peixes, uma importante fonte de proteína desse país. Outro problema decorrente da eutrofização é a mudança na biodiversidade aquática, que atua no sentido de diminuir o número de espécies, sendo que há uma tendência de permanecerem aquelas consideradas de menor complexidade, o que resulta na diminuição de competição por recursos como nutrientes, beneficiando o desenvolvimento de algas em um processo de empobrecimento da diversidade do ecossistema (SHANG et al., 2007; HARPOLE et al., 2007). A maioria dos trabalhos sobre eutrofização é centrada em ambientes lacustres e estuarinos, pois são nesses locais que o acúmulo de sedimento e nutrientes faz com que o fenômeno ocorra (SONDERGAARD, 2003; HU, 2006; CHRISTOPHORIDIS, 2006). Yang et al. (2008) concluem que há necessidade de mais pesquisas concentradas nos mecanismos que levam à eutrofização no âmbito de bacia hidrográfica, levando em consideração as diferentes condições de exploração, com ênfase especial na liberação de fósforo do sedimento. Tilman et al. (2002) afirma que a sustentabilidade dos ecossistemas passa necessariamente por decisões e ações políticas que devem ser executadas conjuntamente pelos agentes ligados à produção agrícola. Assim, como grande parte da contribuição é difusa e ocorre em áreas muitas vezes distantes de onde o problema deflagra-se, é necessário também, que sejam realizados estudos nos locais de origem. Esses estudos podem embasar futuras decisões técnicas sobre monitoramento e manejo e políticas públicas que foquem ações em nível de bacia hidrográfica, observando a complexidade geossistêmica1. Nesse mesmo sentido, Dufumier (2007) e Montibeller-Filho (2008) apontam que os agricultores são agentes causadores de inúmeros problemas ambientais que muitas vezes têm reflexo em comunidades afastadas da fonte geradora do impacto. Justamente por isso a sociedade em geral deve se engajar na elaboração de projetos e arcar com os custos necessários para que os produtores passem de geradores de impactos para zeladores dos ecossistemas onde está inserida sua produção. Portanto, o processo de transferência de sedimentos do sistema terrestre para o aquático decorre da utilização do solo fora de sua capacidade de suportar as atividades 1. A noção de geossistema busca delimitar uma abordagem, dentro da visão sistêmica, da ação humana a seu entorno, permitindo uma análise integradora do natural ao humano na síntese geográfica. Portanto, esse paradigma pretende correlacionar o ‘tríptico: potencial ecológico, explotação biológica e ação antrópica’ (Montibeller-Filho, 2008)..

(25) 25. agrícolas, como cultivo de solos rasos e declivosos, má distribuição das áreas de cultivos dentro do cenário em que estão incluídas, alocação de estradas e caminhos que favorecem o transporte de sedimento e revolvimento e falta de cobertura sobre o solo. Aliado a esses fatores, a aplicação de fertilizantes fosfatados em doses muito acima das recomendadas leva ao aumento dos teores de fósforo nos mananciais hídricos, contribuindo para o desencadeamento e manutenção da eutrofização, o que culmina no comprometimento da qualidade da água tanto para consumo humano, dessedentação animal e atividades de lazer..

(26) 3 HIPÓTESES E OBJETIVOS. 3.1 Hipóteses A evolução do solo ou seu desenvolvimento é fruto das transformações impostas por diversos fatores sobre o material de origem. O clima tem papel importante nesse processo, pois engloba o regime de chuvas e os ciclos de aquecimento e resfriamento da crosta terrestre. O relevo atua principalmente como regulador da velocidade e dos caminhos percorridos pela água que busca os vales formados pelos morros. Portanto o relevo condiciona que solos encontrados em escarpas ou encostas sejam diferentes daqueles encontrados em áreas menos acidentadas, ainda que sob mesmas condições climáticas. Dessa forma, os solos de encosta tendem a ser menos intemperizados porque a remoção de material via erosão é grande, impedindo o desenvolvimento do solo, por isso eles apresentam predomínio de partículas similares às encontradas na rocha de origem. Essa característica resulta na grande quantidade de minerais 2:1 em solos de encosta, se comparados a solos em locais menos acidentados, encontrados na mesma região, que apresentam predomínio de caulinita e óxidos de ferro e de alumínio, o que em última análise determina que os sedimentos transferidos para o sistema aquático sejam dependentes do solo que o originou. A adsorção e a dessorção de fosfato às partículas de solo ou sedimento estão estreitamente relacionadas ao tipo de mineral presente. Em solos poucos intemperizados, com grande quantidade de minerais 2:1, a adsorção de fosfato é menor e se dá com menor energia devido ao predomínio de cargas negativas nessas partículas, fazendo com que o fosfato aí ligado possa ser dessorvido com maior facilidade. Ao passo que os óxidos, principalmente os de ferro, além de terem sua carga superficial menos negativa, possuem sítios de ligação específicos, onde o fosfato liga-se com alta energia, o que resulta em uma dessorção difícil em ambiente oxidado. No entanto, caso esses óxidos tenham sua estrutura alterada, pode ocorrer a liberação do fósforo adsorvido. Desse modo, a primeira hipótese do presente trabalho é que o fósforo adsorvido ao sedimento seja liberado predominantemente nas primeiras extrações realizadas com resinas trocadoras de ânions, devido a predominância de minerais 2:1 na constituição das partículas e principalmente devido à aplicação de fertilizantes, que eleva o teor de fósforo no solo..

(27) 27. A segunda hipótese do trabalho é que em ambiente com baixa pressão de oxigênio a liberação de fósforo seja maior que a ocorrida na presença de grande quantidade de oxigênio pela dissolução dos óxidos por efeito da redução do sistema.. 3.2 Objetivo Geral O presente estudo tem por objetivo geral determinar a relação do fósforo contido nos sedimentos com o processo de contaminação hidrográfica através do estudo da dinâmica do fósforo dos sedimentos fluviais transportado pelo escoamento superficial em uma pequena bacia hidrográfica rural, em função do manejo do solo e cobertura vegetal.. 3.3 Objetivos específicos Os objetivos específicos são: − Avaliar como o cultivo do solo, em diferentes épocas do ano, influencia o fósforo dessorvido do sedimento em diferentes pontos do arroio e épocas; −. Comparar a capacidade de dessorção de fósforo do sedimento em condições oxidada e reduzida;. − Quantificar a transferência de fósforo e sedimento em suspensão entre os sistemas terrestre e aquático em diferentes pontos do arroio e épocas em relação ao cultivo do solo; − Determinar a relação existente entre a labilidade do fósforo ligado aos sedimentos erodidos e a origem dessas partículas..

(28) 4 ESTRATÉGIA DE ESTUDO. A informação e o conhecimento gerado neste trabalho foi resultado de uma parceria entre o Departamento de Solos da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), o Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (IPH-UFRGS), Empresa de Assistência Técnica e Extensão Rural (EMATER) e a Fundação de Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FEPAGRO). Estes parceiros desenvolveram estudos relacionados ao projeto de monitoramento ambiental do Programa de Manejo dos Recursos Naturais e Combate à Pobreza Rural (RS-Rural), que contou com o financiamento do Banco Interamericano de Desenvolvimento e do governo do estado do Rio Grande do Sul. Até o presente momento já foram desenvolvidas as seguintes dissertações e teses: - Qualidade de águas superficiais na microbacia hidrográfica do Arroio Lino, Nova Boêmia – Agudo – RS, de Celso Gonçalves, dissertação de mestrado de 2003 sob a orientação do professor Danilo Rheinheimer dos Santos; - Fósforo na água e no sedimento na microbacia hidrográfica do Arroio Lino – Agudo- RS, de João Batista Rossetto Pellegrini, dissertação de mestrado de 2005 sob a orientação do professor Danilo Rheinheimer dos Santos; - Sistemas de cultivo da cultura do fumo com ênfase às práticas de manejo e conservação do solo, de André Pellegrini, dissertação de mestrado de 2006 sob a orientação do professor José Miguel Reichert; - Nitrato na solução do solo e na água de fontes para consumo humano numa microbacia hidrográfica produtora de fumo, de Douglas Kaiser, dissertação de mestrado de 2006 sob a orientação do professor Dalvan José Reinert; - Caracterização de sedimentos e de contaminantes numa microbacia hidrográfica antropizada, de Celso Gonçalves, tese de doutorado de 2007 sob a orientação do professor Danilo Rheinheimer dos Santos; - A insustentabilidade do uso do solo com fumicultura em terras declivosas, de Letícia Sequinatto, dissertação de mestrado de 2008 sob a orientação do professor José Miguel Reichert; - Qualidade de águas superficiais e tratamento de águas residuárias por meio de zonas de raízes em propriedades de agricultores familiares, de Clamarion Maier, dissertação de mestrado de 2007 a orientação do professor Danilo Rheinheimer dos Santos..

(29) 29. Também, os dados gerados foram utilizados parcialmente para a elaboração da dissertação de mestrado de Jean Paolo Minella em 2003 (Identificação de fontes de produção de sedimentos em uma pequena bacia rural) sob orientação do professor Gustavo Henrique Merten do IPH-UFRGS. Além de vários trabalhos científicos e relatórios técnicos. Atualmente estão sendo elaboradas a presente dissertação de mestrado e duas teses de doutorado, uma sob a orientação do professor José Miguel Reichert e a outra do professor Danilo Rheinheimer dos Santos. Ambas estão utilizando a estrutura de campo e equipamentos laboratoriais adquiridos com recursos do RS-RURAL, CNPq e FAPERGS. A presente dissertação está organizada em dois capítulos. O primeiro capítulo versará sobre a dessorção do fosfato das partículas de sedimento erodidas dos solos da pequena bacia hidrográfica rural do Arroio Lino e centrará sua discussão na comparação entre os teores dessorvidos nas fases de ascensão, vazão máxima e diminuição da lâmina de água. Adicionalmente, discutir-se-á sobre a capacidade de dessorção do fosfato a partir de sedimentos de solos com diferentes características de utilização em diferentes épocas de cultivo do fumo e sob ambiente reduzido e oxidado. O segundo capítulo abordará como as características do evento pluviométrico influenciam na transferência de sedimento e, através do fracionamento químico, como se dividem as principais formas de fósforo adsorvidas ao sedimento quanto a sua labilidade. Será usada a classificação de fósforo biológico e geoquímico como indicador da origem dos sedimentos de distintos usos do solo..

(30) 5 ESTUDO I DESSORÇÃO DE FÓSFORO DE SEDIMENTOS DE UMA PEQUENA BACIA HIDROGRÁFICA DE CABECEIRA EM AMBIENTES OXIDADO E REDUZIDO. 5.1 Introdução A ação humana altera os níveis de nutrientes no solo e na água de córregos, rios e mares (SHANG et al., 2007; LIU et al., 2005; ZHANG et al., 2008). O impacto do homem no que se refere ao aporte de nutrientes para o sistema aquático tem dois tipos de fontes: pontual ou difusa. A primeira engloba descartes de resíduos com alta carga orgânica oriunda de lodo de esgoto doméstico, lodos industriais e dejetos de animais, sendo identificadas principalmente próximas a cidades, áreas industriais ou zonas rurais onde há confinamentos. A segunda fonte é caracterizada pelo aporte de nutrientes oriundos de áreas agrícolas, onde a prática da fertilização do solo, principalmente com fertilizantes minerais, aumenta os níveis desses nutrientes (SHARPLEY et al., 1994; SHARPLEY et al., 1996; SIMS et al., 1998). O solo agrícola é uma fonte considerável de sedimento que ao ser carreado até córregos ou rios atuam no assoreamento e fornecimento de nutrientes (BROOKS et al., 1991). Em áreas agrícolas, a erosão hídrica desagrega o solo e transporta partículas seletivamente, ou seja, aquelas com menor tamanho e peso são mais facilmente movimentadas através do terreno (RESCK et.al, 1980; TÁVORA et al., 1985). Esse caráter seletivo faz com que o impacto de áreas agrícolas seja considerável, pois os fertilizantes são aplicados na camada superficial do solo e os nutrientes são sorvidos principalmente por partículas menores, pois estas possuem grande área em relação a seu volume, e constitui a porção transferida com mais facilidade para o sistema aquático. A dinâmica dos nutrientes ligados ao sedimento é diferente da encontrada no solo devido a mudança no ambiente no entorno das partículas (SONDERGAARD, 2003). Quando as partículas são transferidas do solo para a água, vários agentes passam a atuar, alterando a força de ligação entre o fosfato e os sítios de adsorção, entre eles estão o pH, o Eh, a concentração de outros nutrientes, a velocidade da água e a presença de microorganismos (STUMM et al., 1996). Na água, por exemplo, o pH normalmente é maior que no solo, o que enfraquece as forças de ligação do fosfato, uma vez que há maior atividade de grupos.

(31) 31. hidroxila próximo ao sítio de adsorção. No solo o fosfato quimiossorve-se a óxidos através de adsorção em sítios específicos. Também pode ocorrer atração com minerais 2:1, onde a ligação é de menor energia por ser de caráter mais eletrostático do que propriamente químico. Essa peculiaridade resulta em uma liberação mais fácil do fosfato ligado em minerais 2:1 do que aquele adsorvido em óxidos porque os metais que compõe a estrutura dos óxidos encontram-se em suas formas oxidadas. No entanto, quando submetido a ambientes reduzidos, os óxidos podem liberar o fosfato ligado especificamente, pois a pressão de oxigênio é muitas vezes menor que no ar, e em locais de deposição de sedimento, como fundo de lagos, a atividade de elétrons é tão baixa que alguns microorganismos utilizam esses metais como aceptor final dos elétrons da cadeia respiratória (BOHN, 1971). O metal reduzido não é capaz de sustentar a estrutura que mantém o fosfato ligado devido à desestabilização e posterior rompimento da ligação fosfato-mineral como conseqüência do aporte de elétrons, resultando na liberação do fósforo para o ambiente. Além disso, como as partículas estão rodeadas por água, o acesso de microorganismos é facilitado, bem como aumentam as chances de ocorrerem reações químicas com outros compostos. O enriquecimento da água pelo aporte de nutrientes, principalmente o fósforo, pode levar a eutrofização (YANG et al., 2008). Esse processo ocorre pelo fornecimento de fatores até então limitantes ao aumento da biomassa, o que resulta no “florescimento” de algas, que aumenta o consumo do oxigênio dissolvido, levando à morte outros organismos como os peixes. Como resultado da decomposição, mais oxigênio é consumido, agravando a situação estabelecida e instalando um ciclo de mortandade e diminuição da população autóctone, o que causa a impossibilidade da utilização da água para consumo, lazer ou qualquer outro fim (DANIEL et al., 1998). A reversão desse cenário é extremamente onerosa, caracterizando a eutrofização como um fenômeno de desequilíbrio ambiental de elevado custo ambiental, social e econômico. O presente trabalho tem por objetivo caracterizar a dessorção de fósforo do sedimento em ambiente oxidado e reduzido e determinar sua inter-relação no processo de contaminação hidrográfica pelos sedimentos fluviais transportados por escoamento superficial em uma pequena bacia hidrográfica rural, em função do manejo do solo e cobertura vegetal..